RU2555512C2 - Самоохлаждаемый автономный наноприбор и способ его формирования - Google Patents

Самоохлаждаемый автономный наноприбор и способ его формирования Download PDF

Info

Publication number
RU2555512C2
RU2555512C2 RU2013150655/28A RU2013150655A RU2555512C2 RU 2555512 C2 RU2555512 C2 RU 2555512C2 RU 2013150655/28 A RU2013150655/28 A RU 2013150655/28A RU 2013150655 A RU2013150655 A RU 2013150655A RU 2555512 C2 RU2555512 C2 RU 2555512C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
substrate
glass
target
cover
squid
Prior art date
Application number
RU2013150655/28A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2013150655A (ru
Inventor
Александр Геннадьевич Кузин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского"
Priority to RU2013150655/28A priority Critical patent/RU2555512C2/ru
Publication of RU2013150655A publication Critical patent/RU2013150655A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2555512C2 publication Critical patent/RU2555512C2/ru

Links

Images

Landscapes

  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

Abstract

Изобретение относиться к способам формирования самоохлаждаемых автономных приборов и элементов электроники, которые могут эффективно работать без использования технологии жидкого азота, и другой криогенной техники. Способ формирования самоохлаждаемого автономного наноприбора заключается в том, что на подложке из монокристаллического материала с сформированным с одной стороны СКВИД-приемником на обратной стороне размещают устройство для поглощения тепла, которое содержит катод и анод, имеющие различную энергию Ферми электронов. Затем подложку через отверстие для монтажа заключают в вакуумную оболочку из ситалла, содержащую контактные электроды для двух сторон подложки. После этого отверстие для монтажа подложки закрывают крышкой из ситалла. Размещают данное устройство в вакуумной камере, в которой располагают также мишень из ситалла. Откачивают до давления 10-1 Па, нагревают мишень и крышку из ситалла до температуры 450÷500°С. Затем лазером с длиной волны излучения 1,06 мкм, длительностью импульса 10-20 нс и частотой повторения импульсов 10 Гц, плотностью мощности 5·108÷8·108 Вт/см2 распыляют мишень из ситалла, находящуюся на расстоянии 8÷10 мм от крышки из ситалла в течение 10 минут. Изобретение обеспечивает создание такой конструкции СКВИДа (сверхпроводящего квантового интерференционного датчика), в которой исключены: деградация сверхпроводящих свойств в воздушной среде, зависимость достижения рабочей температуры от использования жидкого азота или других внешних криогенных установок с большими габаритами. 1 ил.

Description

Изобретение относится к способам формирования сверхпроводящих элементов электроники и может быть использовано для формирования самоохлаждаемых автономных приборов и элементов электроники, которые могут эффективно работать без использования технологии жидкого азота, и другой криогенной техники, имеющей большие габариты. При использовании автономных приборов отпадает необходимость технологического достижения «комнатной» сверхпроводимости.
Известен СКВИД (патент РФ №2289870 от 22.06.2005 г.), содержащий диэлектрическую подложку из оксида магния, магниточувствительный элемент из пленки высокотемпературного сверхпроводящего материала, в котором магниточувствительный элемент выполнен в виде полоски, помещенной между двумя трансформаторами магнитного потока, выполненными из того же пленочного высокотемпературного сверхпроводящего материала. Недостатками данного прибора являются: деградация сверхпроводящих свойств ВТСП в воздушной среде, зависимость прибора от внешних воздействий, поскольку для достижения рабочего интервала температур сверхпроводимости 92 K постоянно требуется жидкий азот.
Известен элемент СКВИД-магнитометра (патент РФ №2457502 от 28.04.2011 г.), содержащий немагнитный вакуумный криостат с плоской донной частью и фланцем на горловине, скрепленным с подвеской, размещенную в донной части криостата и установленную на подвеске совокупность градиентометров, подключенных к сверхпроводниковым квантовым интерференционным датчикам (СКВИД) постоянного тока, связанным с системой регистрации. Недостатками данного прибора являются: большие габариты, а также зависимость прибора от внешних воздействий, поскольку для достижения рабочего интервала температур сверхпроводимости постоянно требуется жидкий азот.
Известен СКВИД (патент РФ №2184407 от 02.11.2000 г.), содержащий приемный контур, контур связи для введения магнитного потока в измерительный контур, включающий ПТ-СКВИД с элементами Джозефсона, при этом магнитометр изготовлен на одном слое ВТСП пленки толщиной 10-100 нм, сформированной на изолирующей подложке, в центре которой размещен измерительный контур, часть которого, не содержащая джозефсоновских элементов, непосредственно контактирует с контуром связи, состоящим из двух витков, включенных навстречу друг другу, приемный контур окружает часть контура связи, расположенную вокруг измерительного контура, а на остальной части подложки размещен контур модуляции и обратной связи, окружающий приемный контур и часть контура связи, удаленную от измерительного контура. Недостатками данного прибора являются: деградация сверхпроводящих свойств ВТСП в воздушной среде, зависимость прибора от внешних воздействий, поскольку для достижения рабочего интервала температур сверхпроводимости 92 K постоянно требуется жидкий азот.
Известно также устройство для выделения и поглощения тепла (патент РФ №2394306 от 28.08.2008 г.), содержащее катод и анод, имеющие различную энергию Ферми электронов и подключенные к источнику электрического напряжения, катод и анод расположены с зазором между собой 10-100 мкм, при этом катод включает в себя игольчатые электроды, а в качестве материалов катода и анода выбраны такие материалы, для которых выполняется условие
q/Q=1+(Фк-Фа)/eU,
где q - дополнительное тепловыделение или теплопоглощение;
Q=IU, I - ток в цепи, U - приложенное напряжение;
Фк, Фа - энергии Ферми катода и анода соответственно,
при q>0 - анод нагревается, при q<0 - анод охлаждается.
Особенностью данного устройства при его работе в режиме теплопоглощения является выделение тепла в основном только в цепи питания, выходящей за пределы охлаждаемой области, коэффициент производства «холода» у предложенного устройства оценочно составляет до 60% от затрачиваемой электрической энергии.
Известно, что сверхпроводящие структуры электронных приборов, выполненные из различных керамик с различными критическими температурами сверхпроводимости Тс: YBa2Cu3O7 (92 K), Tl2Ca2Ba (127 K), Bi2Sr2CaCu2O8 (85 K), имеют следующие недостатки:
1. Теряют свои сверхпроводящие свойства в воздушной среде.
2. Для достижения рабочего интервала температур сверхпроводимости (85÷127 K) постоянно требуется жидкий азот, что повышает зависимость прибора от внешних воздействий.
Задачей заявляемого изобретения является создание такой конструкции СКВИДа (сверхпроводящего квантового интерференционного датчика), в которой исключены: деградация сверхпроводящих свойства в воздушной среде, зависимость достижения рабочей температуры от использования жидкого азота или других внешних криогенных установок с большими габаритами.
Указанный технический результат достигается тем, что на подложке, где сформирован СКВИД, с обратной стороны выполнено устройство для выделения и поглощения тепла, содержащее катод и анод, имеющие различную энергию Ферми электронов с возможностью подключения к источнику электрического напряжения, при этом вся подложка с сформированными на ней элементами с двух сторон заключена в вакуумную оболочку из немагнитного материала, содержащую контактные электроды.
Возможность достижения и поддержания низких температур обуславливается тем, что при к.п.д. до 60% от потребляемой электроэнергии устройство выделяет тепло за пределами вакуумной оболочки. В процессе работы СКВИДа при низких температурах Тс примерно от 77 до 92 K Тс выделяется минимальное количество тепла значительно меньшее, чем мощность холодильного устройства. При этом устройство выделяет тепло, в том числе и собственное, за пределами вакуумной оболочки.
Известен (патент РФ №2298260 от 09.11.2005 г.) способ изготовления сверхпроводникового прибора, включающий формирование джозефсоновского перехода в высокотемпературной пленке на монокристаллической подложке MgO при помощи атомно-силового микроскопа, при этом материалом текстурированной высокотемпературной сверхпроводниковой пленки является (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10, на которой методом фотолитографии изготавливается дорожка, поперек которой протаскивают зонд атомно-силового микроскопа, формируя область переменной толщины для создания джозефсоновского перехода. Недостатком данного способа являются низкие функциональные возможности изготовленного сверхпроводящего прибора - зависимость от внешних воздействий, поскольку для достижения рабочего интервала температур сверхпроводимости 85 K постоянно требуется жидкий азот.
Известен (патент РФ N2325005 от 29.09.2006 г.) способ изготовления СКВИДов с субмикронными джозефсоновскими переходами в пленке высокотемпературного сверхпроводника, включающий нанесение пленки высокотемпературного сверхпроводника YBa2Cu3O7-x на бикристаллическую подложку методом лазерной абляции, образование методами фотолитографии токоподводов, промежуточной топологии СКВИД, и реперных шкал, размещаемых параллельно бикристаллической границе, последовательное нанесение слоев углерода, германия, позитивного электронного резиста и формирование электронной литографией основной топологии СКВИДов путем перемещения поля электронной экспозиции относительно реперных шкал, плазмохимическое травление в ВЧ-разряде с последовательным вскрытием окон в слоях германия и углерода и травление открытых участков пленки YBa2Cu3O7-х в пучке положительно заряженных ионов аргона с получением СКВИДов, при этом образуют по меньшей мере две промежуточные топологии СКВИД с различающимися внешними размерами контуров, реперные шкалы выполняют гребенчатыми, штыри которых гальванически связаны через перемычку с одним из токоподводов и основной массой, при этом одну из реперных шкал размещают между промежуточными топологиями, а остальные - снаружи их, формирование основной топологии начинают с промежуточной топологии СКВИД, имеющей большую площадь. Недостатком данного способа также являются низкие функциональные возможности изготовленного сверхпроводящего прибора - зависимость от внешних воздействий, поскольку для достижения рабочего интервала температур сверхпроводимости 92 K постоянно требуется жидкий азот.
Задачей заявляемого изобретения является создание такого способа формирования СКВИДа, полученная конструкция которого исключает: деградацию сверхпроводящих свойств в воздушной среде, зависимость достижения рабочей температуры от использования технологии жидкого азота или других внешних криогенных установок с большими габаритами.
Указанный технический результат достигается тем, что на подложке из монокристаллического материала типа SrTiO3, LaAlO3, MgO с сформированным с одной стороны СКВИДом на обратной стороне подложки размещают устройство для поглощения тепла, которое содержит катод и анод, имеющие различную энергию Ферми электронов, затем подложку через отверстие для монтажа заключают в вакуумную оболочку из ситалла, содержащую контактные электроды для двух сторон подложки, после этого отверстие для монтажа подложки закрывают крышкой из ситалла, размещают данное устройство в вакуумной камере, в которой располагают также мишень из ситалла, откачивают до давления 10-1 Па, нагревают мишень и крышку из ситалла до температуры 450÷500°C, затем лазером длиной волны 1,06 мкм, длительностью импульса 10-20 нс и частотой повторения импульсов 10 Гц, плотностью мощности 5·108÷8·108 Вт/см2 распыляют мишень из ситалла, находящуюся на расстоянии 8÷10 мм от крышки из ситалла в течение 10 минут. При этом формируется пленка из ситалла толщиной примерно 1 мкм, покрывающая крышку и выемку между отверстием для монтажа подложки в вакуумной оболочки и крышкой. Для удобства закрывания и более надежного вакуумирования отверстие для монтажа подложки в вакуумной оболочке и крышка выполнены в форме усеченного конуса, при этом толщина отверстия для монтажа подложки больше толщины крышки на 1÷2 мм, что обеспечивает использование сил адгезии не только на отрыв, но и на сдвиг.
Для осуществления способа использовалась экспериментальная установка для напыления пленок представленная на фиг.1. Установка содержит напылительную вакуумную камеру 1 с помещенной внутри нее цилиндрической кварцевой печью 2, в которой устанавливается: распыляемая лазером 3 мишень 4, размещенные через отверстие для монтажа подложки 5 в вакуумной оболочке 6 - подложка 7, СКВИД 8, устройство для поглощения тепла 9, закрытые крышкой 10. При давлении воздуха в камере 1÷2 10-1 Па температура крышки 10 и температура мишени 4 составляет 450÷500°С. В установке используется твердотельный импульсный лазер Nd:YAG с длиной волны излучения 1,06 мкм, длительностью импульса 16 нс и частотой повторения импульсов 10 Гц. Плотность мощности лазерного излучения на поверхности мишени составляет 5·108÷8·108 Вт/см2. Лазерный луч падает на мишень 4, пройдя через оптическую систему 11 и кварцевое окно 12 вакуумной камеры 1. Распыляемый материал мишени 4 осаждается на крышку 10, вакуумную оболочку 6, отверстие для монтажа подложки 5 и выемку между отверстием для монтажа подложки в вакуумной оболочки и крышкой 13, в результате чего на крышке 10, отверстии для монтажа подложки 5 и выемке 13 при указанных выше технологических параметрах напыления вырастает пленка 14 ситалла СТ-50-1 примерно 1 мкм за 10 минут. В качестве мишени 4 используют ситалл СТ-50-1. В качестве материала крышки 10 и вакуумной оболочки 6 также используются ситалл СТ-50-1. Расстояние мишень-крышка составляет 8÷10 мм. Температура печи 2 и мишени 5 контролируется термопарой 15.
Измеренная методом отрыва адгезия пленки из ситалла к крышке и вакуумной оболочке из ситалла превышает 25 МПа. Кроме того, используемое расстояние мишень-подложка обеспечивает однородное напыление площадки диаметром не менее 10 мм, что достаточно для однородного покрытия щели между отверстием для монтажа подложки в вакуумной оболочке и крышкой, размер которого не превышает размер подложки для СКВИДа 10×10 мм. Достичь высокой степени адгезии пленки из ситалла с крышкой и вакуумной оболочкой из ситалла удается за счет использования технологии лазерного напыления, при котором разогретая до температур порядка 104 K плазма лазерного факела активно взаимодействует с поверхностью вакуумной оболочки и крышкой. На используемом расстоянии 8÷10 мм от мишени при давлении 10-1 Па температура плазмы составляет примерно 104 K, что приводит к реакции плазмы с поверхностью крышки и вакуумной оболочки и глубокому внедрению частиц ситалла в крышку и оболочку из ситалла на глубину до нескольких десятков микрометров, обеспечивая: эксплуатационную и механическую прочность, надежное вакуумирование, исключение деградации сверхпроводящих свойств автономного наноприбора.

Claims (1)

  1. Способ формирования самоохлаждаемого автономного наноприбора, заключающийся в том, что на подложке из монокристаллического материала с сформированным с одной стороны СКВИД-приемником на обратной стороне размещают устройство для поглощения тепла, которое содержит катод и анод, имеющие различную энергию Ферми электронов, затем подложку через отверстие для монтажа заключают в вакуумную оболочку из ситалла, содержащую контактные электроды для двух сторон подложки, после этого отверстие для монтажа подложки закрывают крышкой из ситалла, размещают данное устройство в вакуумной камере, в которой располагают также мишень из ситалла, откачивают до давления 10-1 Па, нагревают мишень и крышку из ситалла до температуры 450÷500°C, затем лазером длиной волны 1,06 мкм, длительностью импульса 10-20 нс и частотой повторения импульсов 10 Гц, плотностью мощности 5·108÷8·108 Вт/см2 распыляют мишень из ситалла, находящуюся на расстоянии 8÷10 мм от крышки из ситалла в течение 10 минут.
RU2013150655/28A 2013-11-13 2013-11-13 Самоохлаждаемый автономный наноприбор и способ его формирования RU2555512C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013150655/28A RU2555512C2 (ru) 2013-11-13 2013-11-13 Самоохлаждаемый автономный наноприбор и способ его формирования

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013150655/28A RU2555512C2 (ru) 2013-11-13 2013-11-13 Самоохлаждаемый автономный наноприбор и способ его формирования

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013150655A RU2013150655A (ru) 2015-05-20
RU2555512C2 true RU2555512C2 (ru) 2015-07-10

Family

ID=53283855

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013150655/28A RU2555512C2 (ru) 2013-11-13 2013-11-13 Самоохлаждаемый автономный наноприбор и способ его формирования

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2555512C2 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3032610B2 (ja) * 1991-07-08 2000-04-17 富士電機株式会社 超電導装置の電流リード
RU2325005C1 (ru) * 2006-09-29 2008-05-20 Государственное учреждение Научно-исследовательский институт ядерной физики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СКВИДов С СУБМИКРОННЫМИ ДЖОЗЕФСОНОВСКИМИ ПЕРЕХОДАМИ В ПЛЕНКЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СВЕРХПРОВОДНИКА
RU2394306C2 (ru) * 2008-08-28 2010-07-10 Владимир Кириллович Неволин Устройство для выделения или поглощения тепла
CN202015089U (zh) * 2011-01-14 2011-10-26 九阳股份有限公司 热饮快速冷却装置
RU2497236C2 (ru) * 2009-05-26 2013-10-27 "Текнопрайзер" Лтд. Способ осуществления гиперпроводимости и сверхтеплопроводности

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3032610B2 (ja) * 1991-07-08 2000-04-17 富士電機株式会社 超電導装置の電流リード
RU2325005C1 (ru) * 2006-09-29 2008-05-20 Государственное учреждение Научно-исследовательский институт ядерной физики Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СКВИДов С СУБМИКРОННЫМИ ДЖОЗЕФСОНОВСКИМИ ПЕРЕХОДАМИ В ПЛЕНКЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СВЕРХПРОВОДНИКА
RU2394306C2 (ru) * 2008-08-28 2010-07-10 Владимир Кириллович Неволин Устройство для выделения или поглощения тепла
RU2497236C2 (ru) * 2009-05-26 2013-10-27 "Текнопрайзер" Лтд. Способ осуществления гиперпроводимости и сверхтеплопроводности
CN202015089U (zh) * 2011-01-14 2011-10-26 九阳股份有限公司 热饮快速冷却装置

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013150655A (ru) 2015-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2382440C1 (ru) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НА ПОДЛОЖКЕ МНОГОСЛОЙНЫХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ НАНОПЛЕНОК yBaCuO
Carapella et al. Josephson effect in Nb/Al 2 O 3/Al/MgB 2 large-area thin-film heterostructures
JP2013128984A (ja) 超伝導材料の接合方法
JPH05206530A (ja) 高温超電導体ジョセフソン接合およびその製造方法
RU2555512C2 (ru) Самоохлаждаемый автономный наноприбор и способ его формирования
KR20140049296A (ko) 하이브리드 증착법을 이용한 eddc 자속고정점 형성 장치
Horwitz et al. Pulsed laser deposition of electronic ceramics
Faisal High Tc superconducting fabrication of loop antenna
CN103500793A (zh) 一种退火制备二硼化镁超导薄膜微结构的方法
Fyk et al. Analysis of the technology to manufacture a high-temperature microstrip superconductive device for theelectromagnetic protection of receivers
RU2539771C1 (ru) Способ изготовления сверхпроводникового детектора
Melbourne Magnesium Diboride Devices and Applications
Porokhov et al. The physical basis of the fabrication of the third generation of high-temperature superconducting wires on quartz substrates
JP2017039621A (ja) 超伝導酸化物薄膜およびその製造方法
JP2529347B2 (ja) 超電導薄膜の作製方法
Grigorashvili et al. Fabrication of nanosized superconductor structures with a critical temperature exceeding 100 K
JP2502344B2 (ja) 複合酸化物超電導体薄膜の作製方法
JP2849721B2 (ja) 超伝導スイッチ素子
RU2189090C2 (ru) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР ИЗ МАТЕРИАЛА YВaСuО С ДВУХ СТОРОН ПОДЛОЖКИ
Subramanyam et al. Processing, electrical and microwave properties of sputtered Tl-Ca-Ba-Cu-O superconducting thin films
JPH0338075A (ja) 多層電子的薄膜素子を製造する方法
Brongersma et al. Multiple maxima in the field dependent magnetisation of superconducting Nb/Cu multilayers
Brown Yttria stabilized zirconia buffered silicon: Substrates for YBCO microwave applications
Maher et al. Commercial Exploration of High‐Temperature Superconductivity: Excimer Lasers Enable Novel Coated Superconductor Cylinders
Li Investigation on fabrication processes and characteristics of BiSrCaCuO films

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161114